南洋理工大學(xué)物理和數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院成立于2005年，可申請的學(xué)位包括本科、碩士及博士，那么該學(xué)科有哪些重要的研究領(lǐng)域呢?跟著出國留學(xué)網(wǎng)來詳細(xì)了解一下吧。
一、學(xué)科縱覽
我們提供三個(gè)核心領(lǐng)域的本科理學(xué)士(榮譽(yù))課程，以及研究生博士和理學(xué)碩士課程：
這三個(gè)部門共有100多名教職員工，250名全職研究人員和25名行政人員。超過2000名本科生注冊我們的理學(xué)士(榮譽(yù))課程，350多名研究生注冊我們的博士和理學(xué)碩士課程。
SPMS綜合體位于南大主要學(xué)術(shù)綜合體南脊的尖端，于2009年7月21日由新加坡教育部長兼國防部第二部長Ng Eng Hen博士正式開放。這個(gè)科學(xué)綜合體是由努力為教育和研究提供有利的環(huán)境?；瘜W(xué)部門擁有一系列尖端化學(xué)設(shè)備，包括最先進(jìn)的核磁共振儀器和質(zhì)譜儀。它的安全功能 模仿牛津化學(xué)大樓的建筑，該建筑被認(rèn)為是科學(xué)界最安全的設(shè)計(jì)之一。
數(shù)學(xué)科學(xué)部分設(shè)計(jì)有良好的交互式會(huì)議空間，以促進(jìn)教師，教師和學(xué)生之間關(guān)于數(shù)學(xué)問題的討論。它還配備了高性能計(jì)算機(jī)設(shè)施，用于數(shù)學(xué)的現(xiàn)代計(jì)算應(yīng)用的教育和研究，生物信息學(xué)，大數(shù)據(jù)分析，密碼學(xué)和密碼分析等領(lǐng)域。物理和應(yīng)用物理部門擁有眾多設(shè)備齊全的教學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室。它擁有機(jī)械研討會(huì)，電子研討會(huì)和材料科學(xué)設(shè)施，用于物理教育和研究，包括原子力顯微鏡，液氦再液化器，電路板制造商和3D打印機(jī)。SPMS綜合體還擁有專門的研究中心，致力于光子學(xué)和材料物理學(xué)的重點(diǎn)研究。
二、研究領(lǐng)域
1.化學(xué)研究導(dǎo)論
化學(xué)和生物化學(xué)系的研究涉及廣泛的主題。我們在合成化學(xué)，生物和藥物化學(xué)，成像和傳感方法，主要化學(xué)組和飛行化學(xué)方面特別強(qiáng)大。截至2017年，NTU 在Nature Index 中的化學(xué)研究中排名第13位，在全球?qū)W術(shù)機(jī)構(gòu)中排名第13位。SPMS化學(xué)建筑我們坐落在世界上最好的化學(xué)建筑之一，配備了最先進(jìn)的儀器，包括七個(gè)高場核磁共振(NMR)光譜儀，多個(gè)質(zhì)譜儀，一個(gè)電子順磁共振(ESR)光譜儀，一個(gè)共聚焦顯微鏡，多個(gè)透射電子顯微鏡(TEM)，三個(gè)X射線衍射儀，以及一系列HPLC和GC。我們的本科生以及研究生研究人員都可以使用這些工具。
2.合成化學(xué)與催化
合成化學(xué)領(lǐng)域涉及新化學(xué)反應(yīng)的開發(fā)和具有獨(dú)特性質(zhì)的目標(biāo)分子的制備，例如生物活性天然產(chǎn)物，藥物，聚合物和功能材料。合成化學(xué)研究的進(jìn)展對于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域至關(guān)重要，特別是化學(xué)和制藥行業(yè)。
我們部門的合成化學(xué)家對以下主題進(jìn)行研究：催化脂族CH鍵官能化;在沒有貴金屬有毒過渡金屬的情況下進(jìn)行環(huán)境良性分子轉(zhuǎn)化(包括普遍存在的前排過渡金屬催化劑，如銅，鐵，鎳和錳以及高性能有機(jī)催化劑);復(fù)合天然產(chǎn)物和功能材料的合成;生物質(zhì)轉(zhuǎn)化;生物分子功能化的方法;體內(nèi)催化;用于連續(xù)制造的集成合成方法。
3.生物和藥物化學(xué)
在這一化學(xué)領(lǐng)域，研究人員致力于開發(fā)新的化學(xué)合成方法，以解決藥物和生物醫(yī)學(xué)方面的挑戰(zhàn)。我們在這一重要領(lǐng)域的研究包括以下主題：新型抗癌和抗病毒藥物的設(shè)計(jì)和合成;生物分子的計(jì)算建模和模擬;合成和研究細(xì)胞表面結(jié)合的碳水化合物，例如唾液酸多糖和脂多糖;噬菌體展示和肽化學(xué);合成具有生物學(xué)意義的天然產(chǎn)物。
4.成像和傳感技術(shù)
對生物細(xì)胞及其成分進(jìn)行成像的能力對于一系列科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用至關(guān)重要，包括研究蛋白質(zhì)的功能和藥物的作用方式。我們的研究人員正在開發(fā)強(qiáng)大的成像方法，改進(jìn)目前基于熒光或生物發(fā)光有機(jī)染料的方法。
我們還在開發(fā)用于傳感污染物，毒素，病原體和爆炸物等化學(xué)品的新技術(shù)。這一系列研究涉及開發(fā)新的化學(xué)過程，以便目標(biāo)分子的存在觸發(fā)可以使用電子或光學(xué)儀器精確測量的化學(xué)信號(hào)。這涉及了解一系列物理和化學(xué)過程，如溶解度，熒光猝滅，光漂白，蛋白質(zhì)標(biāo)記相互作用，標(biāo)記細(xì)胞相互作用等。
具體研究課題包括：開發(fā)有效的多路復(fù)用標(biāo)簽;了解染料和等離子體納米結(jié)構(gòu)的特性;研究生物分子之間的認(rèn)識(shí);電化學(xué)傳感;基于膜的生物傳感。
5.化學(xué)元素
在元素周期表中所有元素塊中，主要元素元素(s-和p-塊)是最不相似的，具有比任何其他元素塊更廣泛的屬性。主要元素范圍從高反應(yīng)性非金屬元素(如氟)和半金屬(如硅)到高活性堿金屬(如鉀)。基礎(chǔ)化學(xué)的長期挑戰(zhàn)之一是理解主要化學(xué)組的驚人和不可預(yù)測的性質(zhì)。
我們有幾個(gè)強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)參與主要的小組研究，特別關(guān)注含有主要元素元素的化合物的合成，并研究它們的反應(yīng)模式，著眼于可能的應(yīng)用。研究課題包括：主族化合物的新型鍵合和結(jié)構(gòu)范例;主要有機(jī)金屬化學(xué)及其應(yīng)用;催化中的主要元素及其應(yīng)用;主要元素在更廣泛的背景下的影響(如雜環(huán)化學(xué)、碳類似物、低價(jià)化合物、過渡金屬簇和不對稱合成);電子應(yīng)用(包括用于光電子學(xué)的分子材料，用于電子器件的新π電子系統(tǒng)，用于分子線和主族磁系統(tǒng)的主族過渡金屬系統(tǒng));新型材料(如光催化劑摻雜或石墨烯摻雜)。
6.飛秒
使用最先進(jìn)的光譜技術(shù)，現(xiàn)在可以研究在超短時(shí)間尺度(超快現(xiàn)象)以及超小長度尺度(低至單個(gè)分子水平)發(fā)生的化學(xué)過程?；瘜W(xué)和生物化學(xué)部的研究人員開發(fā)了用于研究基本光物理反應(yīng)的敏感技術(shù)，這些反應(yīng)控制著太陽能電池等設(shè)備的效率。我們還將單分子顯微鏡應(yīng)用于藥物相互作用的研究，以改進(jìn)抗菌和抗癌治療的設(shè)計(jì)。在超快現(xiàn)象領(lǐng)域，我們的研究人員開發(fā)了新的超快多維光譜技術(shù)，可用于觀察傳統(tǒng)方法無法檢測到的現(xiàn)象(如瞬態(tài)吸收/泵浦探測光譜)。這些技術(shù)可用于研究光合作用過程中發(fā)生的超快能量轉(zhuǎn)移過程，研究光伏和光電材料的超快動(dòng)力學(xué)等。
7.磷催化劑
二氫吡啶是一類具有重要藥物應(yīng)用的化學(xué)品，包括用于治療高血壓的藥物，以及在基本生物過程中起重要作用。新加坡南洋理工大學(xué)的Rei Kinjo研究小組最近發(fā)現(xiàn)了一種合成DHP的開創(chuàng)性程序，該程序便宜，高效且無毒。他們的研究結(jié)果發(fā)表在了美國化學(xué)會(huì)志在2018年一月。NHP-OTf催化吡啶向各種DHP化合物的轉(zhuǎn)化。DHP在結(jié)構(gòu)上非常類似于吡啶，有機(jī)化合物便宜且易于合成。然而，由于需要危險(xiǎn)且昂貴的化學(xué)品，以前用于將吡啶轉(zhuǎn)化為DHP的方法都是不經(jīng)濟(jì)的，結(jié)果DHP化合物由完全不同的起始材料制成。近年來，研究人員開發(fā)了將哌啶轉(zhuǎn)化為DHP的催化劑，但這些催化劑含有有毒的重金屬，如銠或釕，不能用于制造藥物。
Kinjo教授和他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已開發(fā)出一種無金屬催化劑，用于將吡啶轉(zhuǎn)化為各種DHP化合物。這種新型催化劑稱為1,3,2-二氮雜苯并三氟磺酸鹽(NHP-OTf)，在室溫下起作用，化學(xué)上使用起來很簡單。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)樗鼮楹铣杀姸嘀匾幬镩_辟了一條經(jīng)濟(jì)環(huán)保的途徑。新催化劑NHP-OTf不僅因其潛在的應(yīng)用而且其科學(xué)新穎性值得注意?！霸诹谆瘜W(xué)的整個(gè)歷史中，沒有人利用這種特殊的化學(xué)基團(tuán)雙配位磷陽離子用于催化之前，”Kinjo教授說?！斑@確實(shí)是第一個(gè)例子，它可能是一個(gè)全新的磷催化領(lǐng)域的開端。”
8.燕窩的顏色
食用燕窩或燕窩是現(xiàn)如今最昂貴的亞洲美食之一，零售價(jià)約為每公斤5000新元。它已經(jīng)在中醫(yī)藥方面開了一千多年，并形成了數(shù)十億美元的年度貿(mào)易。它通常是白色的，但也有紅色版本，稱為“血巢”(血燕，xu?yàn)，它顯著更昂貴，并被認(rèn)為具有更多的藥用價(jià)值。幾個(gè)世紀(jì)以來，紅色的原因一直是個(gè)難題。與流行的觀點(diǎn)相反，紅色的燕窩不含血紅蛋白，血紅蛋白是造成血液中紅色的蛋白質(zhì)。
現(xiàn)在，南洋理工大學(xué)物理與數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院的化學(xué)家李秀英教授和他的博士生Eric Shim 解釋了紅燕窩的顏色。在2018年5月由美國化學(xué)學(xué)會(huì)出版的“農(nóng)業(yè)和食品化學(xué)雜志”上發(fā)表的一篇論文中，研究人員報(bào)告說，紅色是由活性氮物質(zhì)的蒸氣引起的，在鳥屋或洞穴的大氣層中，與最初形成的白色燕窩。研究人員還指出，燕窩還會(huì)從蒸氣中吸收亞硝酸鹽和硝酸鹽，這些物質(zhì)可能致癌(致癌)。這可能意味著非白色燕窩對人體健康有害。有糖蛋白酪氨酸(頂部)的白色燕窩可以與含氮蒸氣反應(yīng)成為含有3-硝基酪氨酸的紅色燕窩(底部)。
食用燕窩主要由一種叫做糖蛋白的物質(zhì)組成。通過對白色和紅色燕窩進(jìn)行生化和光譜分析，李教授和他的學(xué)生指出了酪氨酸(糖蛋白中的氨基酸)所起的關(guān)鍵作用。紅色燕窩含有酪氨酸，它與活性氮物質(zhì)結(jié)合形成一種叫做3-硝基酪氨酸的新分子。在高濃度下，這種分子產(chǎn)生豐富的紅色，而在較低濃度下，它產(chǎn)生黃色，金色和橙色的顏色，見于其他品種的燕窩產(chǎn)品。正如Lee教授所解釋的那樣，產(chǎn)生這種化學(xué)反應(yīng)的活性氮物種的蒸氣來自鳥糞?！凹t色的巢穴和一般有色的巢穴都是在維護(hù)不善的鳥屋里生產(chǎn)的，那里的地板上有很多鳥糞，”他說。“金絲燕以微小的飛蟲為食，因此鳥類的糞便富含蛋白質(zhì)或氮。細(xì)菌會(huì)分解鳥類糞便，產(chǎn)生活性氮物質(zhì)的蒸氣，從地板上升起并與上面燕窩中的酪氨酸反應(yīng)。“
通過這項(xiàng)研究，紅色燕窩的顏色難題已經(jīng)得到解決，盡管大多數(shù)人沒有想到。該研究還解釋了為什么紅色燕窩含有高濃度的亞硝酸鹽和硝酸鹽，已知會(huì)導(dǎo)致致癌化合物。相反，白色燕窩有能力清除當(dāng)我們的身體有疾病相關(guān)的硝化應(yīng)激時(shí)產(chǎn)生的活性氮物種，例如慢性炎癥，動(dòng)脈粥樣硬化等。這可能是消耗白色燕窩的好處之一?？赡艿暮锰?。
9.用于固氮的納米結(jié)構(gòu)
氮占我們周圍空氣的78%，是一種天然豐富的原料，可用于生產(chǎn)燃料和肥料的氨。20世紀(jì)化學(xué)的重大發(fā)明之一是Haber-Bosch的“固氮”工藝，或?qū)⒌D(zhuǎn)化為氨。Haber-Bosch工藝是目前人體中大約一半氮的原因，但由于它是在非常高的溫度和壓力下進(jìn)行的，因此它消耗的能量高達(dá)世界總能量輸出的2%。研究組凌邢已開發(fā)了無哈柏法的極端條件下有效地執(zhí)行固氮的新方法。他們的方法是將固氮催化劑與稱為金屬有機(jī)骨架的納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合。通過調(diào)節(jié)氮和水分子進(jìn)入催化劑表面的途徑，MOF允許在室溫和大氣壓下以常規(guī)電化學(xué)方法的效率超過18倍的氮氨轉(zhuǎn)化率發(fā)生。
將來，這種方法可用于直接從大氣中直接采集化學(xué)燃料或其他氨基化學(xué)品。如果成功，這些發(fā)展可能會(huì)徹底改變目前的工業(yè)化學(xué)制造方法，這些方法往往是不可持續(xù)和污染的。凌教授和她的合作者推測這種方法甚至可以用來從大氣中提取溫室氣體，以緩解全球氣候變化。
10.數(shù)學(xué)研究導(dǎo)論
二十一世紀(jì)為數(shù)學(xué)科學(xué)帶來了巨大的機(jī)會(huì)。現(xiàn)如今、科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、國防和社會(huì)科學(xué)的許多領(lǐng)域都依賴于從數(shù)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域借鑒的思想，技術(shù)和技能。它們包括復(fù)雜系統(tǒng)的建模和分析，計(jì)算機(jī)模擬和大量數(shù)據(jù)分析。數(shù)學(xué)科學(xué)在我們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，可以開展互聯(lián)網(wǎng)搜索，網(wǎng)上銀行，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，天氣預(yù)報(bào)，醫(yī)學(xué)成像，商業(yè)和軍事優(yōu)化，庫存控制和金融風(fēng)險(xiǎn)分析等活動(dòng)。由于其基本性質(zhì)，數(shù)學(xué)在任何一所主要大學(xué)的教育使命中發(fā)揮著獨(dú)特的核心作用。這是我們的特殊責(zé)任，而且作為一個(gè)部門，我們一直努力完成這項(xiàng)任務(wù)。
我們?yōu)槲覀兏叨然钴S的研究人員感到自豪，這使我們能夠成功地吸引有競爭力的研究經(jīng)費(fèi)。我們教師的研究成果已在著名期刊上發(fā)表，并定期邀請他們在高級(jí)會(huì)議上發(fā)言。這有助于在數(shù)學(xué)科學(xué)部培養(yǎng)充滿活力的研究文化，吸引了源源不斷的訪客，呼吁我們的部門并尋求與我們的教員合作。我們還定期組織研討會(huì)和會(huì)議。數(shù)學(xué)科學(xué)系擁有超過35名全職教師，15名訪問/兼職/副教職員工，30 多名博士后和研究生研究員，以及30多名研究生。
我們在純數(shù)學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的許多領(lǐng)域都非?；钴S，包括：純數(shù)學(xué)數(shù)論，幾何，代數(shù)，分析，拓?fù)?，隨機(jī)矩陣?yán)碚?，概?編碼和密碼學(xué)代數(shù)編碼理論，網(wǎng)絡(luò)編碼，密碼設(shè)計(jì)，安全多方計(jì)算，密碼分析;計(jì)算數(shù)學(xué)算法設(shè)計(jì)，通信復(fù)雜性，量子計(jì)算，計(jì)算模型，算法信息論，可計(jì)算性理論;應(yīng)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化，多尺度建模方法，多變量分析，隨機(jī)分析，金融數(shù)學(xué)，生物學(xué)應(yīng)用。
11.超材料邏輯門
光子超材料是設(shè)計(jì)用于操縱光流的人造結(jié)構(gòu)，通常以使用天然材料無法實(shí)現(xiàn)的方式。他們最有希望的應(yīng)用之一是光學(xué)計(jì)算，其中邏輯操作是用光執(zhí)行的。用于此應(yīng)用和其他應(yīng)用的超材料必須是“可重新配置的”，這意味著必須能夠根據(jù)需要改變其光學(xué)特性。由新加坡南洋理工大學(xué)的Ranjan Singh領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了第一個(gè)能夠在多種配置之間輕松切換的超材料設(shè)備。在Nature Communications上發(fā)表的2018年10月的一篇論文中，該團(tuán)隊(duì)表明他們的超材料甚至可以用于實(shí)現(xiàn)邏輯門，例如非AND和異或。超材料基于微機(jī)電系統(tǒng)，包含微米尺寸的機(jī)械臂，當(dāng)提供電壓時(shí)彎曲。
雖然之前已經(jīng)證明了可重構(gòu)的超材料，但研究人員一直在努力設(shè)計(jì)超材料以在兩種以上的配置之間切換。這種切換需要對超材料中的不同組件之間的復(fù)雜電磁相互作用進(jìn)行極其精細(xì)的控制。新的基于MEMS的設(shè)備通過采用Fano共振解決了這一難題，這種現(xiàn)象允許存儲(chǔ)在電磁振蕩器中的能量隨著振蕩器的性質(zhì)的調(diào)整而變化很大。
超材料包含許多副本的一對干草叉形鋁天線，沉積在硅芯片上。干草叉的臂長僅25微米，充當(dāng)微小的電磁振蕩器，在太赫茲頻率下諧振(機(jī)場的毫米波安全掃描儀使用的頻率相同)。當(dāng)向每個(gè)干草叉提供電壓時(shí)，它會(huì)從硅表面彎曲并抬起，從而改變兩個(gè)干草叉之間的微妙Fano共振。因此，不同的電壓組合顯著改變了器件散射太赫茲頻率光的效率。為了創(chuàng)建邏輯門，團(tuán)隊(duì)讓兩個(gè)干草叉上的電壓用作邏輯輸入位(00,01,10或11)，并設(shè)計(jì)超材料，使得通過器件傳輸?shù)墓饬繉?yīng)于所需的邏輯門的輸出。例如，在XOR門中，當(dāng)輸入為01或10時(shí)輸出為1(高傳輸)，當(dāng)輸入為00或11時(shí)輸出為0(低傳輸)。
“這是一個(gè)新穎可靠的超材料設(shè)備平臺(tái)，”南大的博士生Manukumara Manjappa解釋說，他是Nature Communications論文的第一作者。“在未來，我們設(shè)想使用它來開發(fā)基于紅外和太赫茲頻率的光的存儲(chǔ)器件。超材料可以作為隨機(jī)存取的存儲(chǔ)器，比現(xiàn)有的電子計(jì)算機(jī)更快地執(zhí)行多通道數(shù)據(jù)處理。
12.合成量子材料
量子材料，例如石墨烯，是從下面的原子的特殊量子特征得到它們的特性的材料。盡管它們具有巨大的技術(shù)前景，但由于原子排列的可能方式非常多，新量子材料的開發(fā)往往涉及艱苦的反復(fù)試驗(yàn)。在Nature Nanotechnology的一篇新的Perspective文章中，Justin Song(新加坡南洋理工大學(xué))和他的合著者美國加州大學(xué)河濱分校設(shè)想了一種更有針對性的方法來設(shè)計(jì)量子材料。他們主張使用范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，它是通過堆疊原子級(jí)薄的二維薄片而產(chǎn)生的，如下圖左圖所示。
這樣的堆棧是令人興奮的，因?yàn)樗鼈兛梢猿尸F(xiàn)出現(xiàn)在單個(gè)2D薄片中的“緊急”特征。這種現(xiàn)象類似于日常觀察，即當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)格相互重疊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)催眠的“莫爾圖案”，如圖的右圖所示。Song和Gabor在vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)和光子超材料之間進(jìn)行了類比，光學(xué)物理中使用的人造材料創(chuàng)造了隱形裝置，超級(jí)透鏡和其他奇特裝置?！熬拖駚啿ㄩL圖案模塑光學(xué)超材料中的光流一樣，vdW疊層的納米級(jí)特征可以改變電子流過量子超材料的方式，”Song解釋道。
盡管光學(xué)超材料在過去20年中經(jīng)歷了廣泛的研究，但vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)才剛剛開始受到研究人員的重視。將2D材料布置成堆疊的多種方式為研究人員提供了一個(gè)簡單的“工具箱”來設(shè)計(jì)新的材料屬性。在他們的文章中，Song和Gabor指出量子超材料可以比它們的光學(xué)超材料對應(yīng)物開辟更多的可能性，因?yàn)殡娮邮菐щ姷牟⑶铱梢员舜藦?qiáng)烈相互作用，而光子不相互作用。“最近vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)中不尋常的量子行為的例子已經(jīng)出現(xiàn)在該領(lǐng)域的不同部分，”宋說，他指出了世界各地研究小組對vdW異構(gòu)結(jié)構(gòu)的最新結(jié)果?！拔覀兿胫朗欠窨赡艽嬖谝恍V泛的統(tǒng)一框架，或者是否可以為量子工程制定一套策略?！彼麄冊O(shè)想電子之間的工程相互作用產(chǎn)生集體電子現(xiàn)象，例如傳統(tǒng)材料中沒有的新形式的超導(dǎo)電性。
13.鈣鈦礦LED
在由鈣鈦礦材料的發(fā)光二極管的效率記錄已被國際化的團(tuán)隊(duì)，其中包括研究小組取得啟華熊教授在物理和數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院在新加坡南洋理工大學(xué)。該論文集于2018年10月出版的“ 自然 ”雜志上發(fā)表，其中包括華僑大學(xué)(中國)和多倫多大學(xué)(加拿大)的研究人員，宣布了發(fā)光二極管效率達(dá)到20%的新世界紀(jì)錄。由鹵化鈣鈦礦材料制成。鹵化鈣鈦礦是一類廉價(jià)且天然豐富的材料，有望在下一代LED，太陽能電池和其他電子設(shè)備中取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體。新的20%效率記錄非常重要，因?yàn)檫@意味著鈣鈦礦LED的效率首次與商用常規(guī)LED，有機(jī)LED和量子點(diǎn)LED相當(dāng)。
由諸如砷化鎵之類的半導(dǎo)體材料制成的常規(guī)LED因其高效率而得到廣泛使用。這種效率(定義為成功轉(zhuǎn)換為光的電功率的比例)對于商用LED而言為15%至25%。相比之下，白熾燈泡的效率僅為2%左右。然而，近年來，科學(xué)家們開始研究用稱為鹵化鈣鈦礦的材料取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體。基于鈣鈦礦的器件的一個(gè)主要吸引力在于它們可以通過諸如噴墨印刷或旋涂的方法制造，這些方法比標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)便宜得多。
熊啟華教授，該論文的主要作者之一。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在制造過程中混合精心挑選的添加劑，可以去除全無機(jī)鈣鈦礦原子結(jié)構(gòu)中的許多缺陷。由于這些缺陷浪費(fèi)地散布在材料中流動(dòng)的電流，因此去除它們導(dǎo)致發(fā)光效率的顯著跳躍。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)效率超過20%，而早期鈣鈦礦LED的最高效率為12%至14%。“鈣鈦礦LED的制造成本要便宜得多，” 該論文的主要作者之一熊教授解釋道?！拔覀儗?shí)現(xiàn)了與商用LED相媲美的效率這一事實(shí)非常令人鼓舞。它標(biāo)志著未來用于照明和顯示屏的更便宜的LED邁出了一步。”
14.量子力學(xué)
發(fā)布在自然通訊，副教授大衛(wèi)Wilkowski教授和他的同事就實(shí)現(xiàn)的一個(gè)量子力學(xué)的版本報(bào)告，傅科擺，采用冷原子云。?？络姅[是一個(gè)眾所周知的示范實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常在世界各地的科學(xué)中心展出。當(dāng)擺錘自由擺動(dòng)時(shí)，由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的幾何效應(yīng)，其振蕩平面在一天中會(huì)旋轉(zhuǎn)。在量子力學(xué)中，類似的旋轉(zhuǎn)可以在描述量子系統(tǒng)的“狀態(tài)向量”中發(fā)生，但有一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：在某些情況下，量子旋轉(zhuǎn)可以是“非阿貝爾”，這意味著它還取決于系統(tǒng)的起點(diǎn)。這是一種本質(zhì)上的量子效應(yīng)，在經(jīng)典物理學(xué)中沒有對應(yīng)物。
Wilkowski副教授和他的同事們在大約10,000個(gè)鍶原子(87 Sr)的云上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，冷卻到接近絕對零度(約-273°C)。他們使用三種激光的組合來操縱原子的“旋轉(zhuǎn)”，產(chǎn)生類似于經(jīng)典?？络姅[中地球自轉(zhuǎn)的效果。然后，他們觀察到原子的自旋經(jīng)歷了非阿貝爾幾何變換。這種對原子自旋的微妙幾何控制在容錯(cuò)量子計(jì)算中具有很好的應(yīng)用前景。
15.Plasmons的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
金屬中的電子可以共同振蕩以產(chǎn)生稱為“ 等離子體 ” 的波。等離子體的性質(zhì)已經(jīng)在許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用，從生物成像到光探測。最值得注意的是，它們可用于壓縮和操縱納米長度尺度的光，遠(yuǎn)低于自由空間中光波的波長。然而，等離子體本身長期以來被認(rèn)為是相對簡單的波浪狀物體，缺乏任何有趣的內(nèi)部特征。Justin Song教授小組的理論工作挑戰(zhàn)了這一假設(shè)。在2018年4月發(fā)表在Physical Review X上的一篇論文中，研究小組報(bào)告說，普通金屬中的等離子體含有可能影響其運(yùn)動(dòng)的隱藏內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
就像鴨子的瘋狂劃槳隱藏在水面之下，當(dāng)它在池塘中滑行時(shí)，一個(gè)看似簡單波浪的等離子體實(shí)際上由旋轉(zhuǎn)的微觀電流組成，形成各種錯(cuò)綜復(fù)雜的圖案。研究人員表明，這些模式可以用來改變等離子體的軌跡; 例如，從表面反射的等離子體經(jīng)歷可以通過磁場控制的平行移位。在未來，這一基本理論發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致用于控制光學(xué)器件中的等離子體的新技術(shù)。
16.蟑螂如何感知磁場
某些動(dòng)物可以感知磁場，甚至可以使用磁場進(jìn)行導(dǎo)航。然而，這種能力的潛在機(jī)制仍然是一個(gè)難題。其中一個(gè)主要的科學(xué)假設(shè)是這些動(dòng)物利用含有可旋轉(zhuǎn)磁性納米顆粒的特殊細(xì)胞，類似于微小的羅盤。Rainer Dumke 教授和Tomasz Paterek 教授的研究小組發(fā)起了一項(xiàng)調(diào)查這一現(xiàn)象的合作。通過創(chuàng)建一個(gè)定制的，高靈敏度的原子磁力計(jì)，他們能夠?qū)铙w昆蟲中的磁性粒子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行首次研究：American Cockroach
他們發(fā)現(xiàn)納米粒子在活體和死亡動(dòng)物中的表現(xiàn)非常不同。他們的研究結(jié)果縮小了蟑螂體中磁性納米粒子的可能性范圍，但也暗示這些納米粒子不是蟑螂的磁場感應(yīng)能力的原因。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2018年3月的“ 科學(xué)報(bào)告 ”雜志上，是動(dòng)物感知磁場的長期難題中的重要一步包括人類是否能夠這樣做的有趣問題。該研究課題的進(jìn)展可能會(huì)在未來基于生物學(xué)原理的磁傳感器中得到應(yīng)用。